Los expertos dicen que el descubrimiento del hielo superiónico reivindica las predicciones de las computadoras, lo que podría ayudar a los físicos de materiales a crear sustancias futuras con propiedades a medida. Y encontrar el hielo requirió mediciones ultrarrápidas y un control fino de la temperatura y la presión, avanzando las técnicas experimentales. «Todo esto no habría sido posible, digamos, hace cinco años», dijo Christoph Salzmann en el University College de Londres, quien descubrió el CIEM XIII, XIV y XV. » seguramente tendrá un gran impacto.,»
dependiendo de a quién le preguntes, el hielo superiónico es otra adición a la ya desordenada variedad de avatares del agua o algo aún más extraño. Debido a que sus moléculas de agua se rompen, dijo la física Livia Bove del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia y la Universidad Pierre y Marie Curie, no es una fase nueva del agua. «Es realmente un nuevo estado de la materia», dijo, » que es bastante espectacular.,»
Puzzles Put on Ice
Los físicos han estado tras el hielo superiónico durante años, desde que una simulación primitiva por computadora liderada por Pierfranco Demontis en 1988 predijo que el agua tomaría esta extraña forma casi metálica si la empujabas más allá del mapa de fases de hielo conocidas.
bajo presión y calor extremos, las simulaciones sugieren que las moléculas de agua se rompen. Con los átomos de oxígeno encerrados en una red cúbica, «los hidrógenos ahora comienzan a saltar de una posición en el cristal a otra, y saltar de nuevo, y saltar de nuevo», dijo Millot., Los saltos entre los sitios de la red son tan rápidos que los átomos de hidrógeno-que están ionizados, haciéndolos esencialmente protones cargados positivamente-parecen moverse como un líquido.
esto sugiere que el hielo superiónico conduciría la electricidad, como un metal, con los hidrógenos jugando el papel habitual de los electrones. Tener estos átomos de hidrógeno sueltos brotando alrededor también aumentaría el desorden del hielo, o entropía. A su vez, ese aumento en la entropía haría que este hielo fuera mucho más estable que otros tipos de cristales de hielo, causando que su punto de fusión se elevara hacia arriba.,
Pero todo esto era fácil de imaginar y difícil confiar. Los primeros modelos utilizaron física simplificada, agitando a mano su camino a través de la naturaleza cuántica de las moléculas reales. Las simulaciones posteriores se plegaron en más efectos cuánticos, pero aún así eludieron las ecuaciones reales requeridas para describir múltiples cuerpos cuánticos interactuando, que son demasiado difíciles de resolver computacionalmente. En su lugar, se basaron en aproximaciones, planteando la posibilidad de que todo el escenario pudiera ser solo un espejismo en una simulación., Los experimentos, mientras tanto, no podían hacer las presiones necesarias sin también generar suficiente calor para derretir incluso esta sustancia resistente.
a medida que el problema hierve a fuego lento, sin embargo, los científicos planetarios desarrollaron sus propias sospechas furtivas de que el agua podría tener una fase de hielo superiónico. Justo en el momento en que se predijo por primera vez la fase, la sonda Voyager 2 había navegado hacia el sistema solar exterior, descubriendo algo extraño acerca de los campos magnéticos de los gigantes de hielo Urano y Neptuno.,
los campos alrededor de los otros planetas del sistema solar parecen estar formados por polos norte y sur fuertemente definidos, sin mucha otra estructura. Es casi como si solo tuvieran barras magnéticas en sus centros, alineadas con sus ejes de rotación. Los científicos planetarios atribuyen esto a las «dinamos»: regiones interiores donde los fluidos conductores se elevan y giran a medida que el planeta gira, brotando campos magnéticos masivos.
por el contrario, los campos magnéticos que emanaban de Urano y Neptuno se veían más lumpier y más complejos, con más de dos polos., Tampoco se alinean tan cerca de la rotación de sus planetas. Una forma de producir esto sería confinar de alguna manera el fluido conductor responsable de la dínamo en solo una delgada capa exterior del planeta, en lugar de dejar que llegue hasta el núcleo.
pero la idea de que estos planetas podrían tener núcleos sólidos, que son incapaces de generar dinamos, no parecía realista. Si perforan en estos gigantes de hielo, esperarían encontrar primero una capa de agua iónica, que fluiría, conduciría corrientes y participaría en una Dinamo., Ingenuamente, parece que un material aún más profundo, a temperaturas aún más altas, también sería un fluido. «Siempre solía hacer bromas de que no hay manera de que los interiores de Urano y Neptuno sean realmente sólidos», dijo Sabine Stanley en la Universidad Johns Hopkins. «Pero ahora resulta que podrían serlo.»
Ice on Blast
ahora, finalmente, Coppari, Millot y su equipo han reunido las piezas del rompecabezas.
en un experimento anterior, publicado en febrero pasado, los físicos construyeron evidencia indirecta para el hielo superiónico., Exprimieron una gota de agua a temperatura ambiente entre los extremos puntiagudos de dos diamantes tallados. En el momento en que la presión se elevó a aproximadamente un gigapascal, aproximadamente 10 veces más que en el fondo de la Fosa de las Marianas, el agua se había transformado en un cristal tetragonal llamado hielo VI. en aproximadamente 2 gigapascales, se había convertido en hielo VII, una forma cúbica más densa y transparente a simple vista que los científicos recientemente descubrieron que también existe en diminutos bolsillos dentro de diamantes naturales.,
entonces, usando el láser OMEGA en el laboratorio de energía láser, Millot y sus colegas apuntaron al ice VII, todavía entre yunques de diamante. Cuando el láser golpeó la superficie del diamante, vaporizó el material hacia arriba, disparando efectivamente el diamante en la dirección opuesta y enviando una onda de choque a través del hielo. El equipo de Millot encontró que su hielo súper presurizado se derritió a unos 4.700 grados Celsius, aproximadamente como se esperaba para el hielo superiónico, y que conducía electricidad gracias al movimiento de protones cargados.,
con esas predicciones sobre las propiedades del hielo superiónico, el nuevo estudio liderado por Coppari y Millot dio el siguiente paso para confirmar su estructura. «Si realmente quieres demostrar que algo es cristalino, entonces necesitas difracción de rayos X», dijo Salzmann.
Su nuevo experimento omitió I VI y VII por completo. En su lugar, el equipo simplemente rompió el agua con ráfagas de láser entre yunques de diamante., Mil millonésimas de segundo más tarde, cuando las ondas de choque se ondularon y el agua comenzó a cristalizarse en cubitos de hielo de tamaño nanométrico, los científicos utilizaron 16 rayos láser más para vaporizar una delgada astilla de hierro junto a la muestra. El plasma caliente resultante inundó el agua cristalizante con rayos X, que luego se difractaron de los cristales de hielo, lo que permitió al equipo discernir su estructura.
Los átomos en el agua se habían reorganizado en la arquitectura largamente predicha pero nunca antes vista, Ice XVIII: una celosía cúbica con átomos de oxígeno en cada esquina y en el Centro de cada cara., «Es un gran avance», dijo Coppari.
«el hecho de que la existencia de esta fase no es un artefacto de simulaciones dinámicas moleculares cuánticas, sino que es real, es muy reconfortante», dijo Bove.
y este tipo de verificación cruzada exitosa detrás de simulaciones y hielo superiónico real sugiere que el último» sueño » de los investigadores de física de materiales podría estar pronto al alcance., «Usted me dice qué propiedades desea en un material, y vamos a ir a la computadora y averiguar teóricamente qué material y qué tipo de estructura de cristal que se necesita», dijo Raymond Jeanloz, un miembro del equipo de descubrimiento con sede en la Universidad de California, Berkeley. «La comunidad en general se está acercando.»
los nuevos análisis también sugieren que aunque el hielo superiónico conduce algo de electricidad, es un sólido blando. Fluiría con el tiempo, pero no se agitaría verdaderamente., Dentro de Urano y Neptuno, entonces, las capas de fluido podrían detenerse a unos 8.000 kilómetros hacia el interior del planeta, donde comienza un enorme manto de hielo lento y superiónico como el producido por el equipo de Millot. Eso limitaría la mayor parte de la acción del dínamo a profundidades menos profundas, teniendo en cuenta los campos inusuales de los planetas.
otros planetas y lunas en el sistema solar probablemente no albergan los puntos dulces interiores correctos de temperatura y presión para permitir el hielo superiónico. Pero muchos exoplanetas del tamaño de un gigante de hielo podrían, lo que sugiere que la sustancia podría ser común dentro de mundos helados en toda la galaxia.,
Por supuesto, sin embargo, ningún planeta real contiene solo agua. Los gigantes de hielo en nuestro sistema solar también se mezclan en especies químicas como el metano y el amoníaco. La medida en que el comportamiento superiónico realmente ocurre en la naturaleza «va a depender de si estas fases todavía existen cuando mezclamos agua con otros materiales», dijo Stanley. Hasta ahora, eso no está claro, aunque otros investigadores han argumentado que el amoníaco superiónico también debería existir.,
además de extender su investigación a otros materiales, el equipo también espera seguir centrándose en la extraña, casi paradójica dualidad de sus cristales superiónicos. Simplemente capturar la red de átomos de oxígeno «es claramente el experimento más desafiante que he hecho», dijo Millot. Aún no han visto el fantasmal flujo intersticial de protones a través de la red. «Tecnológicamente, todavía no estamos allí», dijo Coppari, «pero el campo está creciendo muy rápido.”